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Research Collection
Doctoral Thesis
Esthetics and Reliability of Thin Films for Dental Implants
Author(s):
Pecnik, Christina M.
Publication Date:
2015
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010412001
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
Diss. ETH No. 22399
Esthetics and Reliability of
Thin Films for Dental Implants
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES OF ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
CHRISTINA MARTINA PECNIK
MSc in Materials Science, ETH Zurich
born on December 20th, 1985
citizen of Regensdorf (ZH), Switzerland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Ralph Spolenak, examiner
Prof. Dr. André Studart, co-examiner
Prof. Dr. Pentti Tengvall, co-examiner
Prof. Dr. Walter Steurer, head of department
Zürich, 2015
Summary
The goal of implant dentistry is to restore the function of one tooth or even several teeth in a
patient. Comfort, speech and health are important properties for the oral environment.
Simultaneously, the esthetics defines an important issue in modern society and cannot be
neglected in dental therapy. For dental implants made of titanium it has been observed that
these implants can discolor the soft tissue, giving it a gray and unhealthy appearance. This
effect is caused by the low reflectance behavior of the metal Ti. Ceramic materials such as
zirconium dioxide are also used as implant materials. However, the use of full-ceramic ZrO2
implants might bear the risk of a sudden brittle failure, which is accompanied with further
risks for the patient.
Ceramic based coating systems were previously developed, which combine the mechanical
properties of metals with the optical properties of ceramics in order to enhance the
esthetics of a peri-implant in the soft tissue region. In this work, the esthetics and reliability
of these coating systems are examined and validated according to specific requirements,
which have to be fulfilled for an esthetic dental coating. The important properties, which
involve the esthetical, electrochemical and mechanical performance, are tested and analyzed
using various methods and models in order to select an appropriate candidate for the future
application.
Four coating systems were developed on the basis of interference phenomena and
broadband reflection (dielectric mirror). A way to optically characterize these systems is
through spectrophotometric measurement. Furthermore, it is important to know how these
systems will appear below the patient’s soft tissue. The most similar model to human soft
tissue is porcine tissue from pig maxillae. In vitro measurements with this tissue are done to
evaluate the color of the systems. Three out of four coating systems exhibit appropriate
optical properties below soft tissue. However, for one system, brightening of the tissue at
very thin tissue thicknesses is observed, which could be still visible for the human eye. The
in vitro model has been formerly employed for color evaluation for dental implant materials,
but it is a time consuming evaluation method, in which the test tissue changes with time. In
a second evaluation a dielectric mirror is used to test a new color evaluation model made
out of polymeric prosthetic gingival material. Except for thin polymer thicknesses, the
polymer model exhibits similar properties to the porcine tissue. It is suggested as a valid
evaluation model with minor revisions for thin test thicknesses, since it is a fast, easy and
constant method for prescreenings of dental coatings.
Electrochemical testing, which includes potentiodynamic polarization and electrochemical
impedance spectroscopy, is conducted in order to simulate the situation in the oral
iv
environment. These corrosion experiments reveal that the thin films produced by sputter
deposition do not exhibit full density. This leads for two coating systems, which have an
intermediate metallic layer, to the dissolution of this layer and loss of the favorable bright
color. For the multilayer coating system with a dielectric mirror structure, the corrosion
resistance is satisfactory together with its good optical appearance from the in vitro
evaluation. Nevertheless, optimization in the deposition process is requested in order to get
fully dense films.
Finally, the adhesion and fracture toughness of the coating systems are analyzed and
assessed. These properties are important for the long-term application since these coatings
should endure high stresses with a cyclic character. For coatings with thicknesses in the µmrange, nanoindentation at high loads offers the assessment of the fracture toughness in a
classical way, with the condition that no substrate effect is present. Exactly this substrate
effect plays an important role for thin coatings, which then does not allow using the classical
approach. Alternatively, an existing energy-based model is further developed to assess the
fracture toughness semi-quantitatively for coating systems with thin film thicknesses. Thin
coatings show a higher resistance to cracking than thick, dielectric mirror coatings.
Additionally, the introduction of Ti and TiO2 layers does positively influence the adhesion
between coating and substrate.
In conclusion, the dielectric mirror coating exhibits for all three aspects adequate to
excellent properties. With the suggested improvement in deposition process, this system
shows great potential as a future esthetic dental coating on implants.
v
Zusammenfassung
Das Ziel der Zahnimplantologie ist es die Funktion eines Zahnes oder mehrerer Zähnen
eines Patienten wiederherzustellen. Komfort, Sprechen und Gesundheit sind hierbei
wichtige Eigenschaften für das Milieu im Mund. Gleichzeitig ist die Ästhetik ein wichtiger
Aspekt der modernen Gesellschaft und sollte während der Behandlung nicht vernachlässigt
werden. Bei Zahnimplantaten aus Titan wurde beobachtet, dass diese Implantate das
Weichgewebe verfärben. Dieser Effekt entsteht, da das Metall Titan eine graue Farbe
aufweist und somit das Weichgewebe dunkel erscheinen lässt. Keramische Materialien wie
Zirkondioxid werden ebenfalls als Implantatmaterial verwendet. Jedoch kann die
Verwendung von Vollkeramikimplantaten aus ZrO2 das Risiko eines Sprödbruchs
beinhalten, was mit zusätzlichen, gesundheitlichen Risiken für den Patienten verbunden ist.
Keramik basierte Schichtsysteme wurden in einer vorhergehenden Arbeit bereits
entwickelt. Diese Schichtsysteme verbinden die mechanischen Eigenschaften von Metallen
mit den guten optischen Eigenschaften von Keramiken um die Ästhetik eines PeriImplantats in der Region des Weichgewebes zu verbessern. In dieser Arbeit werden die
Ästhetik und Zuverlässigkeit dieser Schichtsysteme geprüft und validiert. Es werden
spezifischen Anforderungen an diese Schichtsysteme gestellt: ästhetische, elektrochemische
und mechanische Eigenschaften werden getestet unter der Verwendung verschiedenen
Methoden und Modellen um einen geeigneten Kandidat für die zukünftige Anwendung zu
finden.
Vier Schichtsysteme wurden entwickelt, deren Farbe auf Interferenzphänomenen und
Breitbandreflektion (dielektrischer Spiegel) entsteht. Die optische Charakterisierung dieser
Systeme erfolgt durch spektrophotometrische Messungen. Ausserdem ist das Verhalten
dieser Systeme unter dem Weichgewebe von Patienten ein wichtiges Ausschlusskriterium.
Das Gewebe in Schweinekiefern kann als das ähnlichste zum menschlichen Gewebe
betrachtet werden. In vitro Messungen mit diesem Gewebe werden durchgeführt um die
Farbe der Systeme zu evaluieren. Drei von vier Schichtsystemen besitzen adäquate optische
Eigenschaften unter dem Weichgewebe. Dennoch, bei dünnem Weichgewebe, wird bei
einem System eine Aufhellung beobachtet, was für das menschliche Auge sichtbar sein
könnte. Das in vitro Modell wurde bereits für die Evaluierung von Farben bei
Zahnimplantatmaterialien angewendet. Es ist jedoch eine zeitaufwändige Methode, bei dem
das Testgewebe sich mit der Zeit verändert. In einer zweiten Evaluierung wird ein
dielektrischer Spiegel verwendet um eine neues Modell der Farbbeurteilung zu testen.
Dieses Modell besteht aus einem Polymer, welches auch als Prothesenmaterial in der
Zahnmedizin verwendet wird. Ausser für dünnes Gewebe besitzt das Polymermodell
vi
ähnliche
Eigenschaften
wie
das
Schweinemodell.
Das
Polymermodell
kann
als
Evaluierungsmethode verwendet werden, sollte aber für dünne Gewebedicken modifiziert
und angepasst werden. Dieses Modell ist eine schnelle und einfache und Methode um
zahnmedizinische Beschichtungen auszusortieren. Ausserdem verändert sich das Polymer
nicht mit der Zeit im Gegensatz zum Schweinegewebe.
Die
elektrochemische
Prüfung,
welche
die
potentiodymanische
Messung
und
elektrochemische Impedanzspektroskopie beinhaltet, wird bei den Schichtsystemen
durchgeführt um den Zustand des Milieus im Mund zu simulieren. Bei den
Korrosionsexperimenten wird beobachtet, dass die Schichten, welche durch das Sputtern
abgeschieden wurden, nicht dicht sind. Dies führt bei zwei Schichtsystemen, welche
metallische Zwischenschichten besitzen, zur Auflösung dieser Schichten und schlussendlich
zum Verlust der vorteilhaft hellen Farbe. Beim Multilayersystem, welches eine Struktur
eines dielektrischen Spiegels besitzt, kann eine ausreichend gute Korrosionsbeständigkeit,
und zugleich gutes optisches Verhalten, beobachtet werden. Trotzdem sollte der
Abscheideprozess verbessert werden um dichte Filme herzustellen.
Zum Abschluss wird die Haftung und Bruchzähigkeit analysiert und evaluiert. Diese beiden
Eigenschaften sind wichtig für die Langzeitanwendung, da diese Beschichtungen hohen
Belastungen mit zyklischem Charakter standhalten sollten. Bei Filmen mit Dicken im µmBereich kann die Nanoindentierung unter Verwendung von hohen Lasten klassisch
angewendet werden um deren Bruchzähigkeit bestimmen zu können. Dies kann
durchgeführt werden unter der Bedingung, dass kein Substrateffekt vorliegt. Genau dieser
Substrateffekt beeinflusst das Verhalten von dünnen Filmen während der Nanoindentierung
bei hohen Lasten, was dazu führt, dass die klassische Methode nicht angewendet werden
kann. Eine Alternative dazu bietet ein bereits existierendes, energiebasierendes Modell,
welches weiterentwickelt wird um die Bruchzähigkeit von dünnen Beschichtungen semiquantitativ berechnen zu können. Dünne Schichten zeigen einen höheren Widerstand gegen
Rissausbreitung als dicke Schichten mit der Struktur eines dielektrischen Spiegels.
Zusätzlich haben Ti und TiO2 Zwischenschichten einen positiven Einfluss auf die Haftung
zwischen Beschichtung und Substrat.
Zusammenfassend kann berichtet werden, dass dielektrische Spiegelbeschichtung alle drei
Anforderungen (Ästhetik, Korrosionsbeständigkeit und Bruchzähigkeit) genügend bis gut
erfüllt. Mit den vorgeschlagenen Verbesserungen im Abscheideprozess besitzt dieses
System ein grosses Potential als zukünftige, ästhetische Beschichtung für Zahnimplantate
verwendet werden zu können.
vii